山東較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)的多普勒天氣雷達(dá)特征*

高 帆 俞小鼎 王秀明

1 山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250031 2 濟(jì)南市氣象局,濟(jì)南 250102 3 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院,北京 100081

提 要：利用多源觀測(cè)資料對(duì)2005—2021年山東和周邊地區(qū)較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件及造成此類事件的對(duì)流系統(tǒng)的雷達(dá)回波特征從兩個(gè)尺度進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):17年間共發(fā)生41次較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件,年均發(fā)生2.4次,主要發(fā)生在6月。發(fā)生前,對(duì)流層中下層具有明顯的條件不穩(wěn)定,濕度條件中等略偏干,中層具有明顯干層,垂直風(fēng)切變中等略偏強(qiáng)。就導(dǎo)致較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)的對(duì)流系統(tǒng)整體而言,可分為Ⅰ型(單體可分辨形)颮線、Ⅱ型(條形)颮線、多單體風(fēng)暴群和弱回波型颮線四類。后側(cè)入流急流攜帶干冷空氣進(jìn)入颮線通過蒸發(fā)冷卻降溫增強(qiáng)負(fù)浮力是Ⅰ型颮線和Ⅱ型颮線產(chǎn)生致災(zāi)雷暴大風(fēng)重要機(jī)理。后(右)向傳播的多單體風(fēng)暴群均伴有超級(jí)單體,其陣風(fēng)鋒一方面能夠觸發(fā)新生風(fēng)暴,另一方面本身也可以產(chǎn)生致災(zāi)雷暴大風(fēng)。強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴本身較快的移動(dòng)速度和可能的后側(cè)入流急流在系統(tǒng)內(nèi)由降水觸發(fā)的下沉氣流作用下產(chǎn)生的動(dòng)量下傳,導(dǎo)致非對(duì)稱的下?lián)舯┝?增加了出現(xiàn)極端雷暴大風(fēng)的可能性。弱回波型颮線產(chǎn)生的致災(zāi)大風(fēng)最易被忽視。直接造成120站次致災(zāi)雷暴大風(fēng)的對(duì)流分系統(tǒng)包括弓形回波、非超級(jí)單體強(qiáng)單體、超級(jí)單體、陣風(fēng)鋒和混合型五類,占比分別為30%、26%、6%、23%和16%。 弓形回波和超級(jí)單體產(chǎn)生的致災(zāi)雷暴大風(fēng)極大風(fēng)速平均值最大,分別為28.2 m·s-1和29.9 m·s-1。強(qiáng)后側(cè)入流急流和顯著中層徑向輻合特征可提前約20 min預(yù)報(bào)弓形回波的形成。致災(zāi)雷暴大風(fēng)主要出現(xiàn)在弓形回波移動(dòng)方向的中間部分和左側(cè)部分。陣風(fēng)12級(jí)及以上的極端雷暴大風(fēng)由鑲嵌弓形回波的波動(dòng)型線狀回波、弓形回波與中尺度渦旋的組合以及超級(jí)單體產(chǎn)生。具有深厚中層徑向輻合的非超級(jí)單體強(qiáng)單體、強(qiáng)烈發(fā)展的颮線的陣風(fēng)鋒、地面冷鋒與陣風(fēng)鋒的疊加(常伴有高空動(dòng)量下傳)均可能產(chǎn)生30 m·s-1左右的雷暴大風(fēng)。

引 言

在對(duì)流風(fēng)暴產(chǎn)生的災(zāi)害性天氣中,雷暴大風(fēng)發(fā)生頻率高且致災(zāi)性強(qiáng),其產(chǎn)生方式主要包括對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)強(qiáng)下沉氣流及其導(dǎo)致的地面強(qiáng)輻散風(fēng)、動(dòng)量下傳導(dǎo)致地面輻散風(fēng)的非對(duì)稱加強(qiáng)、冷空氣大風(fēng)與對(duì)流大風(fēng)疊加導(dǎo)致雷暴大風(fēng)增強(qiáng)、作為對(duì)流風(fēng)暴冷池邊界的陣風(fēng)鋒(出流邊界)導(dǎo)致的大風(fēng),以及對(duì)流風(fēng)暴的暖濕入流在接近風(fēng)暴上升氣流低層入口區(qū)加速而形成的入流大風(fēng),有時(shí)陣風(fēng)鋒大風(fēng)與下?lián)舯┝髦苯訉?dǎo)致的大風(fēng)很難區(qū)分開來(俞小鼎等,2020)。通常將對(duì)流風(fēng)暴內(nèi)的強(qiáng)下沉氣流及其導(dǎo)致的地面強(qiáng)輻散風(fēng)一起稱為下?lián)舯┝?Fujita,1978;Doswell Ⅲ,2001),根據(jù)地面輻散風(fēng)的水平尺度可以分為4 km以下的微下?lián)舯┝骱? km以上的宏下?lián)舯┝?Fujita and Wakimoto,1981)。下?lián)舯┝骷瓤梢杂缮顚尤醮怪憋L(fēng)切變環(huán)境下的脈沖風(fēng)暴產(chǎn)生,也可以由中等或強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變環(huán)境下的多單體強(qiáng)風(fēng)暴、弓形回波、超級(jí)單體或颮線(其中常常鑲嵌有弓形回波)產(chǎn)生。Fujita(1978)最早提出了弓形回波的概念及其與下?lián)舯┝鞔箫L(fēng)的關(guān)聯(lián),指出快速移動(dòng)、向前凸起、形如弓狀的強(qiáng)對(duì)流回波,常伴有下?lián)舯┝鲗?dǎo)致的地面直線型大風(fēng)、冰雹或龍卷等天氣現(xiàn)象,同時(shí)給出了經(jīng)典弓形回波發(fā)生發(fā)展的概念模型,包括強(qiáng)盛階段弓形回波中心形成的矛頭、北端的中尺度氣旋式渦旋、南端的中尺度反氣旋式渦旋以及后期演變?yōu)槎狐c(diǎn)狀回波等特征。另外,很多觀測(cè)分析和數(shù)值模擬均表明,弓形回波與雷暴大風(fēng)有很高的相關(guān)性,尤其當(dāng)弓形回波前沿形成γ中尺度渦旋時(shí),其與弓形回波后側(cè)的入流急流線性疊加,可以產(chǎn)生更為極端的直線型雷暴大風(fēng)(Trapp and Weisman,2003;Atkins et al,2004;2005;Wakimoto et al,2006;Gallus et al,2008;俞小鼎等,2012;王秀明等,2012;2013;陶嵐等,2014;孫繼松,2023)。Johns and Hirt(1987)根據(jù)Fujita and Wakimoto(1981)的研究將由下?lián)舯┝魅?或簇)導(dǎo)致且滿足一定標(biāo)準(zhǔn)(對(duì)流陣風(fēng)閾值、站點(diǎn)間距、影響范圍長(zhǎng)度、時(shí)間間隔等)的大范圍直線型雷暴大風(fēng)事件稱為Derechos(陳曉欣等,2022)。

目前我國(guó)關(guān)于雷暴大風(fēng)的環(huán)境參數(shù)特征、多普勒雷達(dá)回波特征和預(yù)警指標(biāo)以及數(shù)值模擬等已經(jīng)有了深入的研究,費(fèi)海燕等(2016)和馬淑萍等(2019)分別統(tǒng)計(jì)了強(qiáng)雷暴大風(fēng)(風(fēng)速≥25 m·s-1)和極端雷暴大風(fēng)的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)特征,并進(jìn)行了不同區(qū)域及與普通雷暴的對(duì)比分析。雷暴大風(fēng)的雷達(dá)回波分類較多,臨近預(yù)警指標(biāo)也較多,弓形回波、陣風(fēng)鋒、快速移動(dòng)的對(duì)流風(fēng)暴、中層徑向輻合(MARC)、低層徑向速度大值區(qū)、快速下降的單體強(qiáng)中心高度和迅速減小的垂直累積液態(tài)水含量等特征均可用來預(yù)警雷暴大風(fēng),一般可以提前10～30 min(王彥等,2009;刁秀廣等,2011;俞小鼎等,2012;2020;王福俠等,2016;楊璐等,2018;龍柯吉等,2020)。王秀明等(2013)數(shù)值模擬表明在深層環(huán)境風(fēng)垂直切變較弱、中低層環(huán)境風(fēng)垂直切變較強(qiáng)的風(fēng)垂直切變配置下,低層濕度是風(fēng)暴結(jié)構(gòu)的決定因素,中-高濕度環(huán)境下形成高度組織化的颮線,低濕度環(huán)境下形成組織程度較差的一般單體和脈沖風(fēng)暴。孫建華等(2014)數(shù)值模擬也表明環(huán)境場(chǎng)中不同的水汽含量及其垂直分布會(huì)影響下沉氣流和冷池的強(qiáng)度,從而影響對(duì)流的組織形態(tài)、維持時(shí)間和強(qiáng)度。陳曉欣等(2022)系統(tǒng)地研究了中國(guó)區(qū)域的Derechos事件的時(shí)空分布、環(huán)境背景和對(duì)流系統(tǒng)形態(tài)特征。孫繼松(2023)從預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)的視角,討論了與直線型對(duì)流大風(fēng)相關(guān)的強(qiáng)風(fēng)暴形態(tài)結(jié)構(gòu)和熱動(dòng)力學(xué)過程。

山東地處黃淮流域下游,是雷暴大風(fēng)影響的重災(zāi)區(qū)(陳曉欣等,2022),對(duì)流系統(tǒng)種類多且活躍,2006年4月28日、2010年4月26日、2016年6月13—14日、2018年6月13日和2021年4月29日均發(fā)生了大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng),造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。目前山東雷暴大風(fēng)的研究主要集中在氣候特征、流型配置、環(huán)境參數(shù)、典型個(gè)例和某一特定類型的對(duì)流系統(tǒng)(楊曉霞等,2014;刁秀廣等,2015;王俊,2017;高曉梅等,2018;侯淑梅等,2020;萬夫敬等,2018;2021),針對(duì)致災(zāi)雷暴大風(fēng)的對(duì)流系統(tǒng)類型和不同尺度雷達(dá)回波特征的研究相對(duì)較少,因此有必要系統(tǒng)地總結(jié)造成山東致災(zāi)雷暴大風(fēng)的不同對(duì)流系統(tǒng)類型及其多尺度雷達(dá)回波特征,為短時(shí)臨近預(yù)警提供一定的參考。

1 資料與方法

本文所用資料包括2005—2021年山東及周邊省份多普勒天氣雷達(dá)資料、常規(guī)探空資料、常規(guī)和加密地面觀測(cè)資料、2008—2021年山東區(qū)域自動(dòng)氣象站資料。一般將10級(jí)及以上的雷暴大風(fēng)稱為致災(zāi)雷暴大風(fēng),12級(jí)及以上的雷暴大風(fēng)稱為極端雷暴大風(fēng)。

孤立雷暴大風(fēng)產(chǎn)生的隨機(jī)性較大,預(yù)警提前時(shí)間很短,10級(jí)及以上的雷暴大風(fēng)較8～9級(jí)的雷暴大風(fēng)致災(zāi)性明顯增強(qiáng),因此本文主要研究較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件的多普勒天氣雷達(dá)特征。雷暴大風(fēng)的尺度跨度很大,鄭永光等(2016)在進(jìn)行湖北監(jiān)利“東方之星”沉船事故現(xiàn)場(chǎng)天氣調(diào)查時(shí)認(rèn)為,導(dǎo)致此次風(fēng)災(zāi)的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴氣流具有顯著的多尺度性,強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)人員需提高對(duì)強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴中氣流多尺度性的理解和認(rèn)識(shí)。Fujita and Wakimoto(1981)在分析了一次系列下?lián)舯┝骱筇岢隽伺c下?lián)舯┝飨嚓P(guān)的5種尺度氣流(王秀明等,2023),參照Fujita and Wakimoto(1981)的尺度劃分思路,即用α中尺度代表造成較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)(下?lián)舯┝鞔爻叨?圖1b)的對(duì)流系統(tǒng)整體,用β中尺度代表造成某個(gè)或某幾個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站出現(xiàn)致災(zāi)雷暴大風(fēng)(下?lián)舯┝鞒叨?的對(duì)流分系統(tǒng)。本文分別分析對(duì)流系統(tǒng)整體和對(duì)流分系統(tǒng)(弓形回波、非超級(jí)單體強(qiáng)單體、超級(jí)單體、陣風(fēng)鋒等)的多普勒天氣雷達(dá)回波特征,前者側(cè)重于分析尺度特征(影響范圍),后者側(cè)重于分析強(qiáng)度特征(對(duì)流結(jié)構(gòu))。

注:每圈間距50 km,下同。圖1 (a)Ⅰ型颮線,(b)Ⅱ型颮線,(c)多單體風(fēng)暴群和(d)弱回波型颮線典型代表圖Fig.1 Representative radar figures of the convective systems producing damaging thunderstorm gales for (a) type Ⅰ squall line, (b) type Ⅱ squall line, (c) multicell storm cluster, (d) weak echo squall line

規(guī)定某一地市中若有1個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站或者3個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站出現(xiàn)致災(zāi)雷暴大風(fēng),則認(rèn)定該地市出現(xiàn)致災(zāi)雷暴大風(fēng)。山東及周邊各地市相距較均勻,平均距離約為70 km,2～3個(gè)地市出現(xiàn)致災(zāi)雷暴大風(fēng)相當(dāng)于一次下?lián)舯┝鞔氐某叨?。因此?guī)定受同一對(duì)流系統(tǒng)影響,山東及周邊若有3個(gè)地市出現(xiàn)致災(zāi)雷暴大風(fēng)或者有2個(gè)地市出現(xiàn)致災(zāi)雷暴大風(fēng)且其中1個(gè)地市出現(xiàn)極端雷暴大風(fēng),則認(rèn)定為1次較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件。

按照上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行普查,2005—2021年共在山東及周邊地區(qū)篩選出40次較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件,另外將1次雖未達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)但卻產(chǎn)生嚴(yán)重災(zāi)害的雷暴大風(fēng)事件也認(rèn)定為較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件(2005年7月12日,沂源極大風(fēng)速為29.2 m·s-1,經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1.5億)。造成41次較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件的對(duì)流系統(tǒng)整體形態(tài)各異,發(fā)展過程中形態(tài)逐漸演變,根據(jù)對(duì)流系統(tǒng)的多普勒天氣雷達(dá)特征,將41個(gè)對(duì)流系統(tǒng)整體分為27次強(qiáng)颮線過程、11次多單體風(fēng)暴群過程和3次弱回波型颮線過程,有2次過程在發(fā)展演變時(shí)存在類型的轉(zhuǎn)換,按照對(duì)流系統(tǒng)產(chǎn)生范圍最廣、強(qiáng)度最強(qiáng)雷暴大風(fēng)時(shí)刻的雷達(dá)特征進(jìn)行分類,只計(jì)入一類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。參考James et al(2005)的方法進(jìn)一步將27條強(qiáng)颮線分為單體可分辨型颮線(構(gòu)成颮線的各個(gè)對(duì)流單體是可分辨的)和條型颮線(構(gòu)成颮線的各個(gè)單體不可分辨,颮線呈現(xiàn)準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)),各出現(xiàn)了14次和13次,以下分別簡(jiǎn)稱為Ⅰ型颮線和Ⅱ型颮線。4類對(duì)流系統(tǒng)整體的典型代表圖見圖1。

2 氣候與環(huán)境特征概要

2.1 氣候特征

上述較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件年均發(fā)生2.4次,2021年最多,為6次,2009年和2016年發(fā)生頻次相對(duì)較多,均為5次,2008、2012、2014和2019年沒發(fā)生。最早發(fā)生在4月中旬,最晚發(fā)生在8月中旬,51%的較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件發(fā)生在6月。

由Ⅰ型颮線和多單體風(fēng)暴群造成的較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件主要發(fā)生在6月,由Ⅱ型颮線造成的主要發(fā)生在7—8月,由弱回波型颮線造成的主要發(fā)生在4—5月(圖2)。弱回波型颮線之所以會(huì)導(dǎo)致致災(zāi)雷暴大風(fēng),主要原因是冷空氣大風(fēng)和對(duì)流大風(fēng)的疊加,因此多出現(xiàn)在4—5月。再早一些,對(duì)流發(fā)生概率很低,而再晚一些,冷空氣大風(fēng)概率很低。

圖2 4類對(duì)流系統(tǒng)整體的分月出現(xiàn)次數(shù)Fig.2 Monthly frequency of four types of convective systems

2.2 源地和路徑

80%的對(duì)流系統(tǒng)的初生源地在山東以外,Ⅰ型颮線、Ⅱ型颮線和弱回波型颮線的初生源地較遠(yuǎn),主要位于晉陜和河北中南部,多單體風(fēng)暴群的回波源地主要位于河北中南部(圖3)。76%的對(duì)流系統(tǒng)從山東西北部進(jìn)入山東,Ⅰ型颮線多向東南方向移動(dòng),影響山東中部和南部,其平均移速為63 km·h-1,平均移向?yàn)?33°,Ⅱ型颮線多向偏東方向移動(dòng),影響山東中部和北部,其平均移速為67 km·h-1,平均移向?yàn)?15°。多單體風(fēng)暴群多向東南方向移動(dòng),影響山東中部和東南部,弱回波型颮線向偏東方向移動(dòng),影響山東北部。

圖3 4類對(duì)流系統(tǒng)整體的源地和移動(dòng)路徑(a)Ⅰ型颮線,(b)Ⅱ型颮線,(c)多單體風(fēng)暴群,(d)弱回波型颮線Fig.3 Source regions and moving tracks of four types of convective systems(a) type I squall line, (b) type II squall line, (c) multicell storm cluster, (d) weak echo squall line

2.3 環(huán)境參數(shù)

山東較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件發(fā)生前,850 hPa 與500 hPa溫差較大且較集中,25%和75%分位對(duì)應(yīng)的值分別為27.3℃和31.3℃,平均值為29.6℃,相當(dāng)于對(duì)流層中下層的環(huán)境平均溫度直減率為6.6℃·km-1。較大的溫度直減率有利于較大的CAPE值,從而有利于較強(qiáng)上升氣流,產(chǎn)生更多的降水粒子如雨滴和冰雹,形成更強(qiáng)的向下拖曳作用,使雷暴內(nèi)下沉氣流得以觸發(fā);與此同時(shí),較大的溫度直減率有利于保持下沉氣流在下沉增壓增溫過程中與環(huán)境大氣之間的負(fù)溫差,使下沉氣流在下降過程中溫度始終低于環(huán)境溫度,保持向下的加速度(俞小鼎等,2020)。

地面露點(diǎn)溫度和大氣可降水量的平均值分別為19.1℃ 和32.3 mm,表明較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件傾向于發(fā)生在略偏干的大氣環(huán)境中。對(duì)流層中層(700～400 hPa)平均溫度露點(diǎn)差和最大溫度露點(diǎn)差的平均值分別為15.7℃和28.8℃,明顯高于馬淑萍等(2019)對(duì)全國(guó)極端雷暴大風(fēng)事件和陳曉欣等(2022)對(duì)全國(guó)大范圍雷暴大風(fēng)事件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,表明山東較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件發(fā)生時(shí)中層伴有更為顯著的干層,這有利于干空氣夾卷進(jìn)入由降水啟動(dòng)的下沉氣流,使得雨滴蒸發(fā),下沉氣流內(nèi)溫度降低到明顯低于環(huán)境溫度而產(chǎn)生向下(負(fù)浮力)的加速度(俞小鼎等,2020)。

CAPE是氣塊在給定環(huán)境中絕熱上升時(shí)正浮力產(chǎn)生的能量的垂直積分,是對(duì)流發(fā)生潛勢(shì)和潛在強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)(俞小鼎等,2020)。由表1可看出,利用對(duì)流發(fā)生前溫度和露點(diǎn)訂正后的CAPE很大,平均值為2000 J·kg-1,主要是因?yàn)樯綎|較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)一般發(fā)生在午后,而08時(shí)探空低層925 hPa常存在逆溫層,加之850～500 hPa的環(huán)境溫度直減率大,使得利用午后對(duì)流發(fā)生前溫度和露點(diǎn)訂正后的CAPE大幅增加。

表1 環(huán)境參數(shù)分布特征值Table 1 Eigenvalues of the distribution of environmental parameters

DCAPE是用來表示對(duì)流系統(tǒng)內(nèi)強(qiáng)下沉氣流潛勢(shì)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)(Emanuel,1994)。表1中DCAPE為假定下沉氣流從700 hPa至400 hPa間濕球位溫的最小值處開始下沉而計(jì)算得出,DCAPE600 hPa為假定下沉氣流從600 hPa高度開始下沉而計(jì)算得出,兩種方式計(jì)算的DCAPE均很大,平均值分別為1290 J·kg-1和1110 J·kg-1。

較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變有利于對(duì)流系統(tǒng)組織程度的增強(qiáng),且有利于中層干冷空氣夾卷進(jìn)入對(duì)流系統(tǒng),通過蒸發(fā)冷卻降溫增強(qiáng)下沉氣流的強(qiáng)度,同時(shí)還有利于動(dòng)量下傳加強(qiáng)地面雷暴大風(fēng)(Johns and Doswell Ⅲ,1992;Wakimoto,2001;俞小鼎等,2012;2020)。0～3 km和0～6 km垂直風(fēng)切變平均值分別為10.6 m·s-1和16.6 m·s-1,屬于中等略偏強(qiáng)的垂直風(fēng)切變。

風(fēng)暴相對(duì)螺旋度一定程度上代表了一旦對(duì)流風(fēng)暴形成,該對(duì)流風(fēng)暴發(fā)生旋轉(zhuǎn)的潛勢(shì)。如果風(fēng)暴相對(duì)螺旋度較大,則沿著低層暖濕氣流入流方向會(huì)有顯著的水平渦度,暖濕入流進(jìn)入對(duì)流風(fēng)暴的上升氣流中,水平渦度被扭曲為垂直渦度,形成中氣旋,導(dǎo)致超級(jí)單體風(fēng)暴的產(chǎn)生。41次過程0～3 km風(fēng)暴相對(duì)螺旋度的中位數(shù)和平均值分別為77 m2·s-2和97 m2·s-2,可見較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件的風(fēng)暴相對(duì)螺旋度并不大,實(shí)際上,在直接產(chǎn)生致災(zāi)雷暴大風(fēng)的對(duì)流分系統(tǒng)中,超級(jí)單體占比最少。

分類而言,Ⅰ型颮線和多單體風(fēng)暴群的環(huán)境參數(shù)分布相似,Ⅱ型颮線與前兩者環(huán)境參數(shù)的差異主要體現(xiàn)在Ⅱ型颮線的濕度參數(shù)更大一些,其地面露點(diǎn)溫度和大氣可降水量的平均值比前兩者分別高3℃和7 mm,主要是因?yàn)棰蛐惋R線多發(fā)生在7—8月,水汽更為豐沛,而Ⅰ型颮線和多單體風(fēng)暴群多發(fā)生在6月。

綜上所述,山東較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件傾向于發(fā)生在對(duì)流層中低層具有顯著條件不穩(wěn)定層結(jié)、略偏干的濕度層結(jié)、對(duì)流層中層伴有明顯干層和略偏強(qiáng)的深層垂直風(fēng)切變的環(huán)境條件下。

3 對(duì)流系統(tǒng)整體的雷達(dá)觀測(cè)特征

如前所述,導(dǎo)致山東及周邊地區(qū)較大范圍致災(zāi)性雷暴大風(fēng)事件的對(duì)流系統(tǒng)整體可以分為Ⅰ型颮線、Ⅱ型颮線、多單體風(fēng)暴群和弱回波型颮線4種類型。

3.1 Ⅰ型颮線

Ⅰ型颮線表現(xiàn)為多個(gè)對(duì)流風(fēng)暴單體呈線狀排列,整體結(jié)構(gòu)相對(duì)較松散,構(gòu)成颮線的各個(gè)單體可以分辨,相對(duì)較獨(dú)立,颮線整體的三維結(jié)構(gòu)更明顯,常鑲嵌有包括超級(jí)單體的強(qiáng)單體和(或)弓形回波,其環(huán)境0～6 km深層垂直風(fēng)切變更明顯。在有典型特征階段,其主體部分移動(dòng)方向右偏環(huán)境引導(dǎo)氣流方向約39°。

山東及周邊地區(qū)Ⅰ型颮線的平均長(zhǎng)度為180 km,最短為100 km,最長(zhǎng)為280 km。Ⅰ型颮線生命史的各個(gè)階段、空間的各個(gè)部位均能產(chǎn)生致災(zāi)雷暴大風(fēng)。致災(zāi)雷暴大風(fēng)的范圍與后側(cè)入流急流的強(qiáng)度有很密切的關(guān)系,后側(cè)入流急流越強(qiáng)、深度越深,造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)范圍越廣、強(qiáng)度越強(qiáng)。2009年6月3日影響河南、山東西南部、安徽和江蘇北部和2006年4月28日影響山東中南部和江蘇北部的兩條Ⅰ型颮線均存在強(qiáng)后側(cè)入流急流,高度從6 km至近地面,對(duì)應(yīng)颮線上發(fā)展出弓形回波(圖4a,4b),后側(cè)入流急流攜帶干冷空氣夾卷進(jìn)入颮線,促進(jìn)下沉氣流的蒸發(fā)冷卻,增強(qiáng)負(fù)浮力,同時(shí)通過動(dòng)量下傳作用,增強(qiáng)地面雷暴大風(fēng)的強(qiáng)度,造成了大范圍的致災(zāi)雷暴大風(fēng)。后側(cè)入流急流可通過徑向速度大值區(qū)的深度和強(qiáng)度來判斷,但當(dāng)后側(cè)入流急流垂直于雷達(dá)徑向時(shí),反射率因子上弓形回波兩側(cè)的氣旋式和反氣旋式渦旋也可以作為強(qiáng)后側(cè)入流急流的一個(gè)判據(jù)(圖4b1)。

圖4 (a)2009年6月3日和(b)2006年4月28日Ⅰ型颮線,(c,d)2005年8月1日(c)21:00和(d)23:00Ⅱ型颮線,(e)2005年6月14日和(f)2009年6月5日多單體風(fēng)暴群(a1～d1,e,f)反射率因子,(a2～d2)徑向速度,(c3,d3)徑向速度剖面Fig.4 (a, b) Type Ⅰ squall line on (a) 3 June 2009, (b) 28 April 2006; (c, d) type Ⅱ squall line at (c) 21:00 BT and (d) 23:00 BT 1 August 2005; (e, f) multicell storm cluster on (e) 14 June 2005, (f) 5 June 2009(a1-d1, e, f) radar reflectivity, (a2-d2) radial velocity, (c3, d3) vertical cross section of radial velocity

由于Ⅰ型颮線由可分辨的單體構(gòu)成,其中常鑲嵌有超級(jí)單體,除了產(chǎn)生致災(zāi)雷暴大風(fēng),還經(jīng)常產(chǎn)生大冰雹,偶爾產(chǎn)生龍卷。

3.2 Ⅱ型颮線

Ⅱ型颮線表現(xiàn)為條狀或連續(xù)線狀結(jié)構(gòu),不易區(qū)分出構(gòu)成颮線的各個(gè)風(fēng)暴單體,整體的二維結(jié)構(gòu)更明顯,常鑲嵌有弓形回波,其環(huán)境0～3 km垂直風(fēng)切變更明顯。在有典型特征階段,其主體部分移動(dòng)方向右偏環(huán)境引導(dǎo)氣流方向約27°。

山東及周邊地區(qū)Ⅱ型颮線的平均長(zhǎng)度為240 km,最短為150 km,最長(zhǎng)為380 km。雖然平均尺度最大,但其平均每次過程造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)站次數(shù)最少。Ⅱ型颮線造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)多由鑲嵌在颮線中部的弓形回波在颮線成熟期之前造成。

Ⅱ型颮線單次過程造成致災(zāi)雷暴大風(fēng)范圍最廣的為2005年8月1日影響河北南部、山東西北部和中部的颮線系統(tǒng),其初生期在河北南部造成2站次致災(zāi)雷暴大風(fēng),21:00(北京時(shí),下同)前后發(fā)展為一條長(zhǎng)約70 km的弓形回波(圖4c1),后側(cè)入流急流高度從6 km至近地面(圖4c3),23:00前后達(dá)到成熟期,發(fā)展為一條長(zhǎng)約250 km的條型颮線(圖4d1),此時(shí)颮線后側(cè)入流急流高度從4 km至近地面(圖4d3),后側(cè)入流急流高度的下降標(biāo)志著環(huán)境干冷空氣夾卷的減弱,同時(shí)成熟期降水增強(qiáng),環(huán)境大氣中低層濕度增大,導(dǎo)致蒸發(fā)冷卻產(chǎn)生的負(fù)浮力減弱,20:00—23:00 山東西北部出現(xiàn)5站次致災(zāi)雷暴大風(fēng),23:00之后山東中部?jī)H出現(xiàn)1站次致災(zāi)雷暴大風(fēng)。孫建華等(2014)利用WRF模式模擬了水汽對(duì)颮線組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響發(fā)現(xiàn),增加水汽含量后,發(fā)展階段颮線產(chǎn)生的冷池加強(qiáng),雷暴大風(fēng)風(fēng)速增大,但成熟期后冷池減弱地越快,不利于雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)和維持。刁秀廣等(2015)通過觀測(cè)研究也發(fā)現(xiàn),源于颮線發(fā)展前期的弓形回波較強(qiáng)降雨帶減弱階段的弓形回波產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)更強(qiáng)。

Ⅱ型颮線除了產(chǎn)生致災(zāi)雷暴大風(fēng)外,很少產(chǎn)生大冰雹,其原因在于這類颮線的準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)使得每個(gè)構(gòu)成單體均勻消耗CAPE,每個(gè)構(gòu)成單體的上升氣流都不會(huì)很強(qiáng),對(duì)于產(chǎn)生大冰雹不利。此外,這類颮線由于其準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu),通常不會(huì)鑲嵌有超級(jí)單體,而在超級(jí)單體中,除了通過CAPE轉(zhuǎn)換形成上升氣流,超級(jí)單體中氣旋與環(huán)境垂直風(fēng)切變的相互作用會(huì)產(chǎn)生向上的氣壓梯度力擾動(dòng),使得上升氣流進(jìn)一步加強(qiáng),有利于大冰雹和巨型冰雹(直徑5 cm或以上)的產(chǎn)生(Klemp,1987)。

3.3 多單體風(fēng)暴群

多單體風(fēng)暴群表現(xiàn)為2個(gè)及以上的多單體風(fēng)暴受相同的天氣系統(tǒng)影響,沿大致相同的環(huán)境引導(dǎo)氣流移動(dòng)。多單體風(fēng)暴的移動(dòng)矢量由平流和傳播構(gòu)成,前者為構(gòu)成多單體風(fēng)暴的每個(gè)單體沿著風(fēng)暴承載層的平均風(fēng)移動(dòng),后者為多單體風(fēng)暴向著不斷有新生單體產(chǎn)生的方向傳播。按照平流和傳播方向,多單體風(fēng)暴群可以分為兩類,第一類有明顯的后(右)向傳播特征,第二類無明顯傳播特征,隨高空引導(dǎo)氣流快速移動(dòng)。多單體風(fēng)暴群的尺度跨度很大,最小的尺度為50 km,為一個(gè)超級(jí)單體復(fù)合體(含有超級(jí)單體的多單體風(fēng)暴,劇烈天氣主要由其中的超級(jí)單體產(chǎn)生),最大的尺度為350 km。

第一類多單體風(fēng)暴群共有7次過程,均包含有超級(jí)單體,此類多單體風(fēng)暴群整體移動(dòng)相對(duì)較慢,強(qiáng)風(fēng)暴產(chǎn)生的地面冷池因堆積而逐漸增強(qiáng),陣風(fēng)鋒高度最高可以達(dá)到3 km(圖4f),陣風(fēng)鋒不斷觸發(fā)新生單體導(dǎo)致多單體風(fēng)暴后(右)向傳播,延續(xù)多單體風(fēng)暴群的生命史,同時(shí)陣風(fēng)鋒本身也可以產(chǎn)生致災(zāi)雷暴大風(fēng)。此類多單體風(fēng)暴群產(chǎn)生的致災(zāi)雷暴大風(fēng)風(fēng)向多為東北風(fēng),7次過程中至少有5次過程產(chǎn)生了直徑5 cm以上的巨型冰雹,造成致災(zāi)雷暴大風(fēng)范圍最廣的為2005年6月14日和2009年6月5日的多單體風(fēng)暴群(圖4e和4f),兩次過程均在山東中南部觸發(fā)初始對(duì)流,平流向東南方向,傳播向西南方向,多單體風(fēng)暴群整體向偏南方向移動(dòng),影響了山東中南部及江蘇和安徽中北部,兩次過程均產(chǎn)生了多個(gè)超級(jí)單體,除產(chǎn)生了大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)外,均產(chǎn)生了巨型冰雹。

第二類多單體風(fēng)暴群共有4次過程,僅1次包含有超級(jí)單體,此類多單體風(fēng)暴群整體移動(dòng)速度較快,其中產(chǎn)生致災(zāi)雷暴大風(fēng)的強(qiáng)單體在大風(fēng)產(chǎn)生時(shí)刻前后1 h內(nèi)的平均移動(dòng)速度為15 m·s-1,快速移動(dòng)的強(qiáng)單體能夠?qū)⒅懈呖盏母邉?dòng)量下傳至地面增強(qiáng)雷暴大風(fēng)強(qiáng)度,單體本身較快的移動(dòng)速度也有利于產(chǎn)生非對(duì)稱的下?lián)舯┝?而非對(duì)稱下?lián)舯┝髦酗L(fēng)速較大的一側(cè)是風(fēng)暴快速移動(dòng)而導(dǎo)致的動(dòng)量下傳的結(jié)果。此類多單體風(fēng)暴群產(chǎn)生的致災(zāi)雷暴大風(fēng)風(fēng)向多為西北風(fēng),造成致災(zāi)雷暴大風(fēng)范圍最廣的為2018年6月27日影響河北東南部、山東西北部和中部的多單體風(fēng)暴群(圖1c),初始對(duì)流由位于河北中南部的干線觸發(fā),在有利的環(huán)境條件下發(fā)展為3個(gè)多單體風(fēng)暴,造成大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)。

3.4 弱回波型颮線

弱回波型颮線在本文統(tǒng)計(jì)的時(shí)間和空間范圍內(nèi)出現(xiàn)了3次,其回波呈帶狀或線狀,有時(shí)中間有間斷,強(qiáng)度一般在40 dBz以下,尺度在100～250 km。

3次弱回波型颮線出現(xiàn)的天氣形勢(shì)很相似,在500 hPa高空冷渦的環(huán)境背景下,山東受高空冷渦底部強(qiáng)盛的西北氣流影響,環(huán)境濕度條件差,地面上山東北部存在地面低壓,西部存在冷高壓,地面冷鋒自西向東移動(dòng),雷暴大風(fēng)伴隨地面冷鋒同時(shí)出現(xiàn),這種雷暴大風(fēng)的形成依靠中高層的動(dòng)量下傳和地面冷鋒的共同作用,即冷空氣大風(fēng)與雷暴大風(fēng)的疊加。由于雷達(dá)回波較弱,其產(chǎn)生的致災(zāi)大風(fēng)常被忽視。

造成山東及周邊地區(qū)致災(zāi)大風(fēng)范圍最廣的弱回波型颮線系統(tǒng)發(fā)生在2010年4月26日,影響河北中南部、河南北部和山東大部(圖1d)。

4 直接導(dǎo)致致災(zāi)雷暴大風(fēng)的對(duì)流分系統(tǒng)的雷達(dá)觀測(cè)特征

在一次較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件中,并不是對(duì)流系統(tǒng)整體影響的所有區(qū)域都會(huì)產(chǎn)生致災(zāi)雷暴大風(fēng),致災(zāi)雷暴大風(fēng)的出現(xiàn)是不均勻、不連續(xù)的。為了使臨近預(yù)警更有針對(duì)性,本節(jié)根據(jù)國(guó)家級(jí)氣象站出現(xiàn)致災(zāi)雷暴大風(fēng)來分析直接導(dǎo)致致災(zāi)雷暴大風(fēng)的對(duì)流分系統(tǒng)的多普勒天氣雷達(dá)回波特征。

41次較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)過程共造成國(guó)家級(jí)氣象站出現(xiàn)了121站次的致災(zāi)雷暴大風(fēng),其中10、11、12和13級(jí)雷暴大風(fēng)分別出現(xiàn)了95、20、5和1站次,除了1站次的13級(jí)雷暴大風(fēng)無法確認(rèn)外,其余120站次都可以確認(rèn)。根據(jù)這120站次致災(zāi)雷暴大風(fēng)出現(xiàn)時(shí)刻的多普勒天氣雷達(dá)回波特征和雷暴大風(fēng)的形成機(jī)理,將直接影響系統(tǒng)分為弓形回波、非超級(jí)單體強(qiáng)單體、超級(jí)單體、陣風(fēng)鋒和混合型5類,其中“混合型”表示雷暴大風(fēng)由下沉氣流、冷池出流、冷空氣和動(dòng)量下傳多種作用共同造成,5類對(duì)流分系統(tǒng)造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)站次數(shù)和極大風(fēng)速箱線圖見表2和圖5。

表2 5類對(duì)流分系統(tǒng)造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)站次數(shù)Table 2 Frequency of the stations affected by damaging thunderstorm gales caused by five types of convective subsystems

圖5 5類對(duì)流分系統(tǒng)造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)極大風(fēng)速箱線圖Fig.5 Boxplots of maximum wind speed of damaging thunderstorm gales caused by five types of convective subsystems

4.1 弓形回波

4.1.1 雷達(dá)觀測(cè)特征

弓形回波的尺度跨度較大,最小的單體弓形回波尺度為10～20 km,最大的尺度超過100 km,大部分弓形回波尺度在20～50 km,絕大部分弓形回波鑲嵌在Ⅰ型颮線和Ⅱ型颮線內(nèi),因此仍可以將大部分弓形回波認(rèn)為是β中尺度的對(duì)流分系統(tǒng)。

弓形回波的形態(tài)豐富多樣,Klimowski et al(2004)將弓形回波分為經(jīng)典弓形回波、弓形回波復(fù)合體、颮線型弓形回波和單體型弓形回波4類。在本文分析的41次個(gè)例中,這4類弓形回波均有出現(xiàn),其中經(jīng)典弓形回波和颮線型弓形回波出現(xiàn)次數(shù)最多,造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)站次數(shù)也最多。

在弓形回波的形成過程中,徑向速度圖上的后側(cè)強(qiáng)入流急流和顯著中層徑向輻合特征較反射率因子圖上的弓狀特征出現(xiàn)更早,以5～6 km高度后側(cè)入流急流達(dá)到27 m·s-1作為強(qiáng)后側(cè)入流急流的標(biāo)準(zhǔn),以3～7 km高度15 km水平距離內(nèi)徑向速度差大于等于25 m·s-1作為顯著中層徑向輻合的標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),通過上述徑向速度特征比通過反射率因子回波特征平均可以提前3～4個(gè)體掃識(shí)別弓形回波。

弓形回波造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)分布不均勻,以前進(jìn)方向?yàn)閰⒄?將弓形回波分為左側(cè)部分、中間部分和右側(cè)部分,36站次致災(zāi)雷暴大風(fēng)除了4站次無法明確辨別外,其余32站次在三個(gè)部分的分布比例為12∶16∶4,可見致災(zāi)雷暴大風(fēng)主要出現(xiàn)在弓形回波前進(jìn)方向的中間和左側(cè)部分。

4.1.2 弓形回波與極端雷暴大風(fēng)

在5類對(duì)流分系統(tǒng)中,弓形回波造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)站次數(shù)最多,占比為30%,極大風(fēng)速的平均值次大,為28.2 m·s-1。弓形回波共造成3站次極端雷暴大風(fēng),1站次由波動(dòng)型線狀回波(LEWP)中的弓形回波造成,2站次由弓形回波和中尺度渦旋共同造成。

2013年8月7日17:00—19:00,山東西北部至河北東南部一條Ⅱ型颮線自西南向東北快速移動(dòng),逐漸發(fā)展為波動(dòng)型線狀回波(LEWP),其中包含3條弓形回波(圖6a1),造成山東西北部至河北東南部出現(xiàn)了長(zhǎng)約250 km、寬約120 km的致災(zāi)雷暴大風(fēng)區(qū)域,風(fēng)向以西偏南風(fēng)為主,其中17:17德州陵縣出現(xiàn)了32.6 m·s-1的致災(zāi)雷暴大風(fēng),18:05滄州孟村出現(xiàn)了36.3 m·s-1的極端雷暴大風(fēng)。本次過程發(fā)生時(shí)整層為較強(qiáng)的西南風(fēng),伴有明顯的短時(shí)強(qiáng)降水,在17:39—18:16的37 min內(nèi),VWP產(chǎn)品中20 m·s-1以上強(qiáng)度的大風(fēng)核從約6 km下降至1.5 km(圖略),表明降水下落時(shí)將中高層西南風(fēng)的高動(dòng)量下傳至低層,一定程度上增加了地面雷暴大風(fēng)的強(qiáng)度。這次過程造成滄州市直接經(jīng)濟(jì)損失近3億。

圖6 (a)2013年8月7日波動(dòng)型線狀回波,(b)2007年7月11日弓形回波與中尺度渦旋組合,(c,d)2020年5月17日(c)21:23和(d)21:56弓形回波與中尺度渦旋組合,(e)2020年5月17日21:00—23:00極大風(fēng)速(a1～d1)反射率因子,(a2～d2)徑向速度,(c3,c4)徑向速度剖面Fig.6 (a) Line-echo wave pattern on 7 August 2013; (b, c, d) bow echo and mesoscale vortex (b) on 11 July 2007, (c) at 21:23 BT and (d) 21:56 BT 17 May 2020; (e) maximum wind speed from 21:00 BT to 23:00 BT 17 May 2020(a1-d1) radar reflectivity, (a2-d2) radial velocity, (c3, c4) vertical cross sectin of radial velocity

2007年7月11日18:00,山東南部棗莊附近一條包含弓形回波的Ⅱ型颮線向南偏東方向移動(dòng)(圖6b1),弓形回波后側(cè)存在后側(cè)入流急流,高度從5 km 至近地面,最大風(fēng)速為35 m·s-1,弓形回波前沿左側(cè)存在一個(gè)相對(duì)較淺薄的中尺度渦旋(圖6b2),垂直伸展厚度為2 km,旋轉(zhuǎn)速度為21 m·s-1,弓形回波后側(cè)傾斜下沉氣流在低層與中尺度渦旋的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)氣流相疊加,之后后側(cè)入流急流略有增強(qiáng),中尺度渦旋略有減弱,18:23兩者共同造成微山站出現(xiàn)32.7 m·s-1的極端雷暴大風(fēng),風(fēng)向?yàn)?40°。同一時(shí)間位于弓形回波前沿右側(cè)、與微山站呈對(duì)稱分布的沛縣站極大風(fēng)速為16.3 m·s-1,風(fēng)向?yàn)?2°。

2020年5月17日21:00,山東東南部臨沂附近一條包含弓形回波的Ⅰ型颮線向東偏南方向移動(dòng),弓形回波后側(cè)存在后側(cè)入流急流,高度從5 km至近地面,最大徑向風(fēng)速為37 m·s-1。弓形回波前沿左側(cè)存在一個(gè)相對(duì)較深厚的中尺度渦旋,21:23分裂為兩個(gè)中尺度渦旋,位于前部的更強(qiáng)盛,垂直伸展厚度為4 km(圖6c3),旋轉(zhuǎn)速度為26 m·s-1,最強(qiáng)切變位于1.6 km,弓形回波后側(cè)入流急流與前部中尺度渦旋的旋轉(zhuǎn)氣流在底層相疊加(圖6c2),21:25 兩者共同造成臨沂站出現(xiàn)34.6 m·s-1的極端雷暴大風(fēng),風(fēng)向?yàn)?65°。這種弓形回波后側(cè)入流急流與中尺度渦旋的速度結(jié)構(gòu)配置從21:00持續(xù)到22:00(圖6d),期間后側(cè)入流急流高度維持在5～6 km,最大風(fēng)速維持在35～40 m·s-1,弓形回波前沿左側(cè)持續(xù)有多個(gè)中尺度渦旋生成。21:00—22:00弓形回波與中尺度渦旋的組合結(jié)構(gòu)導(dǎo)致臨沂出現(xiàn)了長(zhǎng)約100 km、寬約50 km的致災(zāi)雷暴大風(fēng)區(qū)域(圖6e黑框)。22:00—23:00弓形回波后側(cè)入流急流強(qiáng)度和中尺度渦旋強(qiáng)度均有所減弱,但弓狀結(jié)構(gòu)依然維持,造成了長(zhǎng)約80 km、寬約50 km的致災(zāi)雷暴大風(fēng)區(qū)域(圖6e藍(lán)框)。雷暴大風(fēng)的風(fēng)向以西北風(fēng)為主,弓形回波頂端左側(cè)有兩對(duì)區(qū)域自動(dòng)氣象站在間隔約6 km范圍內(nèi)、連續(xù)兩個(gè)時(shí)次在時(shí)間間隔約3 min內(nèi)均出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)風(fēng),風(fēng)速為22～30 m·s-1,因此不能排除出現(xiàn)龍卷的可能性(圖6e)。這次過程造成臨沂市直接經(jīng)濟(jì)損失1.37億。

4.2 超級(jí)單體

4.2.1 雷達(dá)觀測(cè)特征

超級(jí)單體共造成7站次致災(zāi)雷暴大風(fēng)(表3),其中2站次由1個(gè)超級(jí)單體復(fù)合體造成,其余5站次由鑲嵌在颮線或多單體風(fēng)暴群中的5個(gè)超級(jí)單體造成。

表3 致災(zāi)雷暴大風(fēng)發(fā)生前最近時(shí)次超級(jí)單體中氣旋參數(shù)Table 3 Parameters of supercell mesocyclones before the occurrence of damaging thunderstorm gales

在致災(zāi)雷暴大風(fēng)發(fā)生前最近時(shí)刻,超級(jí)單體中氣旋底高平均為1.2 km,厚度平均為5.0 km,直徑平均為8.4 km,最大旋轉(zhuǎn)速度平均為23 m·s-1,最大切變高度平均為2.5 km,與王一童等(2022)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致,即致災(zāi)雷暴大風(fēng)發(fā)生時(shí)超級(jí)單體中氣旋的底高明顯下降,旋轉(zhuǎn)速度明顯增大,最大切變高度也明顯下降。中氣旋的平均持續(xù)時(shí)間為77 min。

超級(jí)單體造成的7站次致災(zāi)雷暴大風(fēng)中,有3站次在發(fā)生前出現(xiàn)了垂直累積液態(tài)水含量的下降,有4站次發(fā)生前出現(xiàn)了反射率因子核的下降,平均提前量為1～2個(gè)體掃。

4.2.2 超級(jí)單體與極端雷暴大風(fēng)

在上述5種對(duì)流分系統(tǒng)中,超級(jí)單體造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)站次數(shù)最少,占比為6%,但極大風(fēng)速的平均值最大,為29.9 m·s-1。超級(jí)單體共造成了2站次極端雷暴大風(fēng)。

2016年6月13日夜間,山東中部一條Ⅰ型颮線向東南方向移動(dòng),颮線上發(fā)展出多處深厚輻合區(qū),20:41其中一個(gè)深厚輻合區(qū)發(fā)展為中氣旋(圖7a2),之后逐漸增強(qiáng),發(fā)展為經(jīng)典超級(jí)單體,21:11超級(jí)單體右后側(cè)的下沉輻散氣流造成汶上站出現(xiàn)33.9 m·s-1的極端雷暴大風(fēng),風(fēng)向?yàn)?51°,同時(shí)在21:05—21:20 的15 min內(nèi)汶上站出現(xiàn)了60.6 mm的極端短時(shí)強(qiáng)降水(圖7b2)。

圖7 (a,b)2016年6月13日(a)20:41、(b)21:10,(c,d,e)2018年6月13日(c)16:31、(d)17:00超級(jí)單體和(e)17:00—18:00極大風(fēng)速的(a1～d1)反射率因子,(a2～d2)徑向速度,(d3)反射率因子剖面,(d4)徑向速度剖面Fig.7 (a1-d1) Radar reflectivity, (a2-d2) radial velocity, (d3, d4) vertical cross section of (d3) radar reflectivity and (d4) radial velocity of supercells at (a) 20:41 BT and (b) 21:10 BT 13 June 2016, and at (c) 16:31 BT and (d) 17:00 BT 13 June 2018; (e) maximum wind speed from 17:00 BT to 18:00 BT 13 June 2018

2018年6月13日下午,多單體風(fēng)暴群自西向東影響山東中東部地區(qū),16:31多單體風(fēng)暴群中發(fā)展形成一段弓形回波(圖7c1),伴有明顯的后側(cè)入流急流,弓形回波頂端左側(cè)形成一個(gè)中氣旋(圖7c2),最大旋轉(zhuǎn)速度為21 m·s-1,兩者構(gòu)成弓形回波復(fù)合體,以弓形回波為主。之后中氣旋逐漸增強(qiáng),17:00最大旋轉(zhuǎn)速度為33 m·s-1,此時(shí)對(duì)流系統(tǒng)以超級(jí)單體為主(圖7d2),中低層出現(xiàn)明顯的有界弱回波(BWER)結(jié)構(gòu),高層強(qiáng)中心位于中低層BWER之上(圖7d3),伴有62 m·s-1的強(qiáng)烈風(fēng)暴頂輻散,17:08超級(jí)單體強(qiáng)右后側(cè)的下沉輻散氣流造成青島站出現(xiàn)34.8 m·s-1的極端雷暴大風(fēng),風(fēng)向?yàn)?43°,同時(shí)在17:00—17:15的15 min內(nèi)青島站出現(xiàn)37 mm的極端短時(shí)強(qiáng)降水。由于該超級(jí)單體的中氣旋強(qiáng)度強(qiáng)、尺度大,在其移動(dòng)路徑的右前方造成了30 m·s-1的低層暖濕氣流入流大風(fēng)(圖7e),加之弓形回波的共同作用,造成了萊州灣和青島市區(qū)出現(xiàn)了60 km×40 km范圍的致災(zāi)雷暴大風(fēng)。這次過程造成青島市4人死亡,6人失蹤,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2.89億。

4.3 非超級(jí)單體強(qiáng)單體和陣風(fēng)鋒

非超級(jí)單體強(qiáng)單體和陣風(fēng)鋒造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)站次數(shù)僅次于弓形回波,占比分別為26%和23%,極大風(fēng)速平均值分別為26.7 m·s-1和26.0 m·s-1,最大值分別為31.5 m·s-1和29.6 m·s-1。31.5 m·s-1的雷暴大風(fēng)由2017年6月2日一個(gè)具有深厚中層徑向輻合(MARC)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)單體造成(圖8a),該強(qiáng)單體同時(shí)造成下游平陰站出現(xiàn)了致災(zāi)雷暴大風(fēng)。29.6 m·s-1的雷暴大風(fēng)由一條后向傳播的Ⅰ型颮線造成(圖8b),該颮線觸發(fā)的陣風(fēng)鋒共造成7個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站出現(xiàn)致災(zāi)雷暴大風(fēng)。實(shí)際上非超級(jí)單體強(qiáng)單體和陣風(fēng)鋒產(chǎn)生的雷暴大風(fēng)均由強(qiáng)風(fēng)暴單體的下沉氣流到達(dá)地面后輻散導(dǎo)致,不同的是非超級(jí)單體強(qiáng)單體產(chǎn)生的下?lián)舯┝髦苯釉斐衫妆┐箫L(fēng),陣風(fēng)鋒則是下沉氣流觸地后伴隨水平輻散的冷池與周邊暖濕氣流的邊界,其快速移動(dòng)造成雷暴大風(fēng)。

圖8 (a)2017年6月2日非超級(jí)單體強(qiáng)單體,(b)2005年6月21日陣風(fēng)鋒和(c)2021年4月29日混合型(a1～c1)反射率因子,(a2～c2)徑向速度,(a3)徑向速度剖面,(c3)地面天氣圖疊加冷鋒Fig.8 (a1-c1) Radar reflectivity, (a2-c2) radial velocity, (a3) vertical cross section of radial velocity, (c3) surperimposed cold front of the surface weather chart of (a) strong single cell on 2 June 2017, (b) gust front on 21 June 2005, (c) mixed type convective subsystem on 29 April 2021

4.4 混合型

多種作用共同造成的混合型致災(zāi)雷暴大風(fēng)站次占比為16%,極大風(fēng)速平均值為26.5 m·s-1,最大值為31.9 m·s-1,由一個(gè)多單體風(fēng)暴群的冷池出流配合地面冷鋒和高空動(dòng)量下傳作用共同造成(圖8c)。除了弱回波型颮線外,地面氣旋倒槽頂部也經(jīng)常存在混合型作用導(dǎo)致的致災(zāi)雷暴大風(fēng)。

5 結(jié)論與討論

利用常規(guī)觀測(cè)、加密觀測(cè)和多普勒雷達(dá)資料對(duì)2005—2021年山東及周邊地區(qū)較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件基本特征及造成這種事件的對(duì)流系統(tǒng)的多普勒雷達(dá)特征進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論:

(1)山東及周邊地區(qū)較大范圍致災(zāi)雷暴大風(fēng)事件年均發(fā)生2.4次,均出現(xiàn)在4月中旬至8月中旬,多出現(xiàn)在6月。發(fā)生前,環(huán)境大氣具有明顯的不穩(wěn)定層結(jié),CAPE平均為2000 J·kg-1,850～500 hPa溫差平均為29.6℃,中層具有非常明顯的干層,700～400 hPa溫度露點(diǎn)差平均為15.7℃,0～6 km垂直風(fēng)切變平均為16.6 m·s-1。

(2)按照多普勒雷達(dá)特征將導(dǎo)致較大范圍雷暴大風(fēng)的對(duì)流系統(tǒng)整體分為Ⅰ型颮線(單體可分辨型颮線)、Ⅱ型颮線(單體不可分辨型颮線)、多單體風(fēng)暴群和弱回波型颮線四類α中尺度對(duì)流系統(tǒng),分別出現(xiàn)了14、13、11和3例。80%的對(duì)流系統(tǒng)初生源地在山東以外,76%的對(duì)流系統(tǒng)從山東西北部進(jìn)入山東。Ⅰ型颮線和多單體風(fēng)暴群主要出現(xiàn)在6月,影響山東中部和南部,Ⅱ型颮線主要出現(xiàn)在7—8月,影響山東中部和北部,弱回波型颮線主要出現(xiàn)在4—5月,主要影響山東北部。

(3)后側(cè)入流急流攜帶干冷空氣夾卷進(jìn)入颮線對(duì)于兩類颮線產(chǎn)生致災(zāi)雷暴大風(fēng)至關(guān)重要。后(右)向傳播的多單體風(fēng)暴群均伴有超級(jí)單體,陣風(fēng)鋒在觸發(fā)新生風(fēng)暴、產(chǎn)生致災(zāi)雷暴大風(fēng)中起到重要的作用。快速移動(dòng)的多單體風(fēng)暴群中強(qiáng)單體移動(dòng)速度平均為15 m·s-1,高空動(dòng)量下傳對(duì)致災(zāi)雷暴大風(fēng)的產(chǎn)生有一定的作用。弱回波型颮線出現(xiàn)在高空冷渦底部存在強(qiáng)盛西北氣流、地面冷鋒自西向東移動(dòng)的天氣形勢(shì)下。

(4)直接造成120個(gè)國(guó)家氣象站出現(xiàn)致災(zāi)雷暴大風(fēng)的β中尺度對(duì)流分系統(tǒng)有弓形回波、非超級(jí)單體強(qiáng)單體、超級(jí)單體、陣風(fēng)鋒和混合型五類。其中,弓形回波造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)占比最多,為30%,極大風(fēng)速的平均值為28.2 m·s-1。強(qiáng)后側(cè)入流急流和顯著中層徑向輻合特征可以提前3～4個(gè)體掃預(yù)報(bào)弓形回波的形成。致災(zāi)雷暴大風(fēng)主要出現(xiàn)在弓形回波的中間部分和左側(cè)部分。弓形回波大多鑲嵌在颮線中。超級(jí)單體造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)占比最少,但極大風(fēng)速的平均值最大,為29.9 m·s-1,致災(zāi)雷暴大風(fēng)發(fā)生時(shí)中氣旋明顯增強(qiáng),垂直累積液態(tài)水含量或者反射率因子核的下降能預(yù)警一半的致災(zāi)雷暴大風(fēng),但提前量很短,從徑向速度識(shí)別中氣旋、確定超級(jí)單體是預(yù)警致災(zāi)雷暴大風(fēng)的關(guān)鍵。波動(dòng)型線狀回波中的弓形回波、弓形回波與中尺度渦旋的組合以及強(qiáng)降水超級(jí)單體是造成極端雷暴大風(fēng)的主要對(duì)流分系統(tǒng)。弓形回波和超級(jí)單體可以相互轉(zhuǎn)換,有時(shí)弓形回波演變?yōu)槌?jí)單體,有時(shí)超級(jí)單體演變?yōu)楣位夭?都具有很強(qiáng)的產(chǎn)生致災(zāi)雷暴大風(fēng)的能力。

(5)非超級(jí)單體強(qiáng)單體、陣風(fēng)鋒和混合型造成的致災(zāi)雷暴大風(fēng)占比分別為26%、23%和19%,極大風(fēng)速平均值分別為26.7、26.0和26.5 m·s-1。具有深厚中層徑向輻合的非超級(jí)單體強(qiáng)單體、強(qiáng)烈發(fā)展颮線的陣風(fēng)鋒、對(duì)流風(fēng)暴冷池和地面冷鋒的冷池合并(常常伴隨高空動(dòng)量下傳)一起的出流均可能產(chǎn)生30 m·s-1左右的雷暴大風(fēng)。